碳纖維對(duì)聚丙烯結(jié)晶及熱力學(xué)性能的影響

劉茂　廖益均　吳曉莉

摘要：利用單螺旋桿擠出機(jī)制備了聚丙烯/碳纖維復(fù)合材料，控制碳纖維含量研究其對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和耐熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明，少量碳纖維的加入提高了聚丙烯復(fù)合材料的結(jié)晶率，當(dāng)碳纖維加入到5%時(shí)，復(fù)合材料結(jié)晶率反而降低;復(fù)合材料的沖擊韌性隨著碳纖維含量的提高而顯著提高，耐熱性明顯提高，硬度和拉伸強(qiáng)度稍有下降。

關(guān)鍵詞：聚丙烯;碳纖維;韌性;耐熱性;結(jié)晶率

中圖分類號(hào)：TQ325.1+4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2019）04-0014-03

Effect of Carbon Fiber on Crystallization and

Thermodynamic Properties of Polypropylene

LIU Mao，? LIAO Yijun，? WU Xiaoli

（College of Materials and Environmental Engineering，Chengdu Technological University

，Chengdu 611730，China）

Abstract：Polypropylene/carbon fiber composite was prepared by single screw extruder. The effects of carbon fiber content on the structure， mechanical properties and heat resistance of composite were studied. Experimental results show that the addition of a small amount of carbon fiber improves the crystallization rate of polypropylene composite， and when the carbon fiber is added to 5%， the crystallization rate of the composite decreases. With the increase of carbon fiber content， the impact toughness of the composite increases significantly， the heat resistance is obviously improved， and the hardness and tensile strength decrease slightly.

Keywords：polypropylene; carbon fiber; toughness; heat resistance; crystallinity

通用塑料聚丙烯（PP）由單體丙烯聚合而成，屬于熱塑性材料。其具有高強(qiáng)度和高耐熱性，同時(shí)有優(yōu)異的絕緣性、環(huán)保性、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能優(yōu)良的材料[1-3]。

PP材料被廣泛應(yīng)用于包裝、汽車、機(jī)械等領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)具有很大的市場(chǎng)。但PP材料仍有一些缺點(diǎn)，比如低溫韌性差、成型收縮率大等，這限制了PP材料在應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展和推廣[4-5]。

近年來(lái)，將PP材料與彈性體共混以達(dá)到增韌效果的研究方法高效并且簡(jiǎn)單[6-7]。加入具有優(yōu)良彈性的碳纖維能將PP材料的塑韌性大幅提高，但其含量較高時(shí)，復(fù)合材料的耐熱性、強(qiáng)度、剛性大幅降低。本研究采用熔融共混法制備復(fù)合材料[8-10]，摻入不同含量碳纖維，探究其對(duì)基體增韌效果的影響，同時(shí)通過測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐熱性等，考察了其對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及設(shè)備

原料：聚丙烯（PP）;碳纖維（CF）。

設(shè)備情況見表1。

1.2 試樣制備

將干燥后的PP和碳纖維按比例分別稱取，在混料機(jī)中混合均勻，加入到單螺旋桿擠出機(jī)中熔融共混，制備PP/碳纖維復(fù)合材料。碳纖維含量分別為0%、1.5%、3%、5%。單螺旋桿擠出機(jī)參數(shù)為：加熱段機(jī)頭溫度為200 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速220 r/min。最后用注塑機(jī)將共混物注射為標(biāo)準(zhǔn)樣條，注射溫度為210 ℃。

1.3 性能測(cè)試

力學(xué)性能測(cè)試：以GB/T 1040—2006《塑料 拉伸性能的測(cè)定》為標(biāo)準(zhǔn)，拉伸速度為20 mm/min;沖擊性能測(cè)試以GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試溫度為（35±2）? ℃。硬度測(cè)試采用洛氏硬度試驗(yàn)法。每組3個(gè)試樣，取平均值。

維卡軟化點(diǎn)測(cè)試（VST）：以GB/T 1633—2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度（VST）的測(cè)定》為標(biāo)準(zhǔn)，升溫速度120? ℃/h，以硅油為傳導(dǎo)介質(zhì)。

XRD衍射分析：衍射角范圍10°～28°，管電流20 mA，管電壓30 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

2.1.1 碳纖維含量對(duì)PP材料拉伸性能的影響

碳纖維含量對(duì)PP材料拉伸強(qiáng)度的影響如圖1所示。由圖1可以看出，PP材料的拉伸強(qiáng)度隨碳纖維含量升高而降低，且碳纖維含量低于3%時(shí)，拉伸強(qiáng)度受較大影響，下降速度較快。在含量大于3%后并沒有大幅下降，對(duì)基體的影響不明顯。說(shuō)明碳纖維的加入會(huì)降低共混物的抗拉強(qiáng)度，然后隨著碳纖維含量的提高影響有所減弱。復(fù)合材料的拉伸對(duì)應(yīng)著材料變形的3個(gè)階段。彈性變形、塑性變形和斷裂。當(dāng)復(fù)合材料變形達(dá)到一定程度，碳纖維鍵角變形到極限，發(fā)生塑形變形，繼續(xù)加大軸向拉伸力，軸向分子鏈被破壞，發(fā)生宏觀斷裂[11]。

2.1.2 碳纖維含量對(duì)PP材料沖擊性能的影響

碳纖維含量對(duì)PP材料沖擊強(qiáng)度的影響如圖2所示。可以看出，隨著碳纖維含量的增加，PP/碳纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度大幅提高。其中，碳纖維含量為5%的PP復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度最大，是純PP材料沖擊強(qiáng)度的3倍，為26.5? kJ/m2。結(jié)果表明，碳纖維的加入能夠顯著提高PP的沖擊韌性。彈性體對(duì)基體PP的增韌機(jī)制主要是，彈性體顆粒均勻分布在基體PP中，作為分散相增強(qiáng)材料。當(dāng)受到外力時(shí)，應(yīng)力集中于彈性體顆粒，顆粒發(fā)生形變或破碎，吸收了沖擊能量，進(jìn)而終止了微裂紋的形成和長(zhǎng)大[12]。

2.1.3 碳纖維含量對(duì)PP材料硬度的影響

由圖3表示，碳纖維的含量對(duì)PP材料的硬度影響較大。隨著碳纖維含量的增加，PP復(fù)合材料的硬度明顯下降。當(dāng)碳纖維含量大于3%時(shí)，材料硬度下降速度大于含量小于3%的下降速度。碳纖維的加入對(duì)材料硬度的影響較大。

2.2 耐熱性能分析

維卡軟化溫度是表征材料耐熱性的指標(biāo)之一。為了研究碳纖維增韌的同時(shí)對(duì)復(fù)合材料耐熱性的影響，對(duì)維卡軟化溫度進(jìn)行了測(cè)試。從圖4可以看出，向PP材料中加入碳纖維后，維卡軟化溫度有所提高。隨著碳纖維含量的增加維卡軟化溫度呈先快速后緩慢升高的趨勢(shì)。當(dāng)碳纖維含量為5%時(shí)，其維卡軟化溫度為88 ℃，相對(duì)未添加碳纖維的PP材料，維卡軟化溫度提升了9.3%。材料制備合成時(shí)，加入的碳纖維根據(jù)阻力最小原則，沿著聚丙烯融體流動(dòng)方向發(fā)生排列，形成片狀結(jié)構(gòu)，在某個(gè)方向提升材料剛度，使其能夠承受較大的外力，并且能夠抗材料在高溫下在該垂直方向的蠕動(dòng)，一定程度上阻止了大分子鏈的移動(dòng)[13]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PP復(fù)合材料增強(qiáng)材料韌性的同時(shí)，又增強(qiáng)了其耐熱性。

2.3 XRD分析

XRD是表征物相的方法，為了研究碳纖維對(duì)PP材料的結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)3組實(shí)驗(yàn)XRD進(jìn)行了測(cè)試。圖5分別為不同含量碳纖維/PP復(fù)合材料的XRD衍射圖譜。3條曲線在17° 、19° 和22° 附近有3個(gè)明顯的峰，與PP材料的α相的PDF卡相吻合。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著碳纖維含量的遞增，α相特征峰向左移。同時(shí)，隨著碳纖維含量的遞增，峰強(qiáng)先增加后減小，當(dāng)碳纖維含量在1.5%時(shí)峰強(qiáng)最高，此時(shí)PP結(jié)晶率最大，表明碳纖維的加入增大了材料的結(jié)晶率。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)將不同比例的PP和碳纖維通過單螺旋桿擠出制備成復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）材料的力學(xué)性能隨著碳纖維含量升高而產(chǎn)生明顯變化，碳纖維能明顯改善PP材料的沖擊韌性，最高沖擊強(qiáng)度為26.1 kJ/m2，與純PP材料相比較提高了283%，但拉伸強(qiáng)度和硬度有所下降。

2）復(fù)合材料的耐熱性隨碳纖維含量的增加而提高，含量為5%的碳纖維/PP復(fù)合材料，其維卡軟化溫度為88 ℃，較未添加碳纖維的PP材料，其維卡軟化溫度提升了9.3%。

3）碳纖維的加入對(duì)PP材料的結(jié)晶有影響。當(dāng)碳纖維含量為1.5%時(shí)，此時(shí)PP材料結(jié)晶速率最大，當(dāng)含量為5%時(shí)，材料的結(jié)晶率最小。

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收稿日期：2019-04-19

基金項(xiàng)目：四川省教育廳項(xiàng)目（18ZD0039）

第一作者簡(jiǎn)介：劉茂（1997—），男，材料科學(xué)與工程專業(yè)，2016級(jí)本科生。

通信作者簡(jiǎn)介：廖益均（1988—），男，講師，博士，研究方向：高分子材料改性與成型加工，電子郵箱：liaoyijun1988@163.com。